(57)【要約】【課題】  被測定流体が流通する外部配管を分断することなく、従って被測定流体の汚染のおそれがなく、外部配管を流体流通路として利用して、その中を流れる流体の流量を良好な精度で測定する。【解決手段】  発熱体及び感温体を有する流量検知部を含むセンサユニット１６と、流量検知部の発熱体と感温体とを含んで構成され可撓性チューブ１４内の流体の流量に対応する電気的出力を発生する検知回路４０と、検知回路の出力を所定値に維持するように発熱体の発熱を制御する発熱制御手段５０と、発熱制御手段による発熱体の制御状態に基づき流量値を得るための演算手段５４と、流量検知部をチューブ１４の外周面に押し付けてチューブを所定の形状に変形させるための押し付け手段とを備えている。押し付け手段は、基部２０とこれに対してスペーサ２２を介して着脱可能な可動部２４とを有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
配管中を流れる流体の流量を測定する方法であって、
前記配管として可撓性を持つチューブを使用し、発熱体及び感温体を有する流量検知部を前記チューブの外周面に押し付けて前記チューブを所定の形状に変形させ、該チューブと前記流量検知部との間で予め定められた形態の熱伝達経路を形成し、
しかる後に、前記発熱体と前記感温体とを含んで構成され前記チューブ内の流体の流量に対応する電気的出力を発生する検知回路の出力を所定値に維持するように、発熱制御手段により前記発熱体の発熱を制御し、前記発熱制御手段による制御状態に基づき流量値を得ることを特徴とする流量測定方法。
【請求項２】
前記チューブは熱伝導率が０．０５Ｗ／（ｍ・℃）〜１Ｗ／（ｍ・℃）の材料からなることを特徴とする、請求項１に記載の流量測定方法。
【請求項３】
前記チューブは合成樹脂または合成ゴムからなることを特徴とする、請求項１〜２のいずれかに記載の流量測定方法。
【請求項４】
前記流量検知部をそれに接続された熱良導体薄板を介して前記チューブの外周面に押し付けることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の流量測定方法。
【請求項５】
前記熱良導体薄板は金属薄板であることを特徴とする、請求項４に記載の流量測定方法。
【請求項６】
可撓性を持つチューブからなる配管中を流れる流体の流量を測定する装置であって、
発熱体及び感温体を有する流量検知部と、
前記発熱体と前記感温体とを含んで構成され前記チューブ内の流体の流量に対応する電気的出力を発生する検知回路と、
該検知回路の出力を所定値に維持するように前記発熱体の発熱を制御する発熱制御手段と、
前記発熱制御手段による前記発熱体の制御状態に基づき流量値を得るための演算手段と、
前記流量検知部を前記チューブの外周面に押し付けて該チューブを所定の形状に変形させるための押し付け手段とを備えていることを特徴とする流量測定装置。
【請求項７】
前記チューブは熱伝導率が０．０５Ｗ／（ｍ・℃）〜１Ｗ／（ｍ・℃）の材料からなることを特徴とする、請求項６に記載の流量測定装置。
【請求項８】
前記チューブは合成樹脂または合成ゴムからなることを特徴とする、請求項６〜７のいずれかに記載の流量測定装置。
【請求項９】
前記流量検知部に接続された熱良導体薄板が設けられており、前記押し付け手段は前記流量検知部を前記熱良導体薄板を介して前記チューブの外周面に押し付けることを特徴とする、請求項６〜８のいずれかに記載の流量測定装置。
【請求項１０】
前記熱良導体薄板は金属薄板であることを特徴とする、請求項９に記載の流量測定装置。
【請求項１１】
前記押し付け手段は、前記流量検知部を含むセンサユニットを支持するための基部と、該基部に対して可動の可動部とを備えており、該可動部は前記基部に対して、前記流量検知部による前記チューブに対する押し付け力の付与により該チューブを前記所定の形状に変形させる第１状態と前記流量検知部による前記チューブに対する押し付け力の付与を解除した第２状態とをとることを特徴とする、請求項６〜１０のいずれかに記載の流量測定装置。
【請求項１２】
前記可動部は前記基部に対してヒンジで取り付けられていることを特徴とする、請求項１１に記載の流量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体流通路中を流れる流体の流量を該流体と接触することなしに測定する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、流体流通路中を流れる流体の流量を測定するための流量計として傍熱式などの熱式の流量測定装置が使用されている。傍熱式流量測定装置としては、基板上に薄膜技術を利用して薄膜発熱体と薄膜感温体とを絶縁層を介して積層してなるセンサーチップを流体流通路内の流体との間で熱伝達可能なように配置したものが使用されている。センサーチップは、流体流通路内に配置されて流体と直接接触するようにしてもよいし、流体流通路外に配置されて流体とは直接接触せずにセンサーチップと流体との間の熱伝達のための熱伝達部材を流体流通路内へと突出させるようにしてもよい。薄膜発熱体に通電することにより、薄膜感温体を加熱し、該薄膜感温体の温度上昇に基づく電気的特性例えば電気抵抗の値を変化させる。この電気抵抗値の変化即ち薄膜感温体の温度変化は流体流通路内を流れる流体の流量に応じて変化する。この薄膜感温体の電気抵抗値の変化は、流体の温度によっても異なり、このため、上記薄膜感温体の電気抵抗値の変化を測定する電気回路中に温度補償用の薄膜感温体を組み込んでおき、流体の温度による流量測定値の変化をできるだけ少なくすることも行われている。
【０００３】
このような薄膜素子を用いた傍熱式流量計に関しては、たとえば、特開平１１−１１８５６６号公報（特許文献１）に記載がある。この流量計においては、流体の流量に対応する電気的出力を得るためにブリッジ回路を含む電気回路を使用している。
【０００４】
流量測定の対象とされる流体（被測定流体）は多岐にわたるが、近年、生体に注入される医療用薬液や生体から採取される生体液などの高度な衛生上の管理を要する流体の流量測定或いは該流量測定に基づく流体流通の有無の判別が要望されている。この場合には、流量計として流体流通路内に突出した熱伝達部材を備えるものや流体流通路内にセンサーチップを配置したものを使用すると、該熱伝達部材またはセンサーチップが流体と接触することで該流体を汚染するおそれがあり、更には流体と熱伝達部材やセンサーチップとが反応して流体を汚染するおそれがあるため、これらの流体の流量測定には、流体と直接接触する熱伝達部材を使用せず且つ流体流通路外にセンサーチップを配置した非接触型の流量計の使用が好ましい。
【０００５】
一方、従来、流量計としては、それ自体がハウジング内に流体流通路を備え、該流体流通路に隣接してハウジング内にセンサーチップを配置したものが使用されている。そして、被測定流体が流通する外部管路の途中に流量計を介在させ、該流量計のハウジング内流体流通路の両端を外部管路の分断された部分に接続するようにしている。
【０００６】
しかるに、流量計を介在させるために外部管路を分断することにより、外部管路と流量計のハウジング内流体流通路との接続手段が必要になり装置構成が複雑化し、更にこの接続の部分で流体が汚染されやすくなるため、特に、上記高度な衛生上の管理を要する流体の流量の測定に際しては、このような従来の方式のものをそのまま利用することは好ましいことではない。
【特許文献１】特開平１１−１１８５６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明は、被測定流体が流通する外部配管を分断することなく、したがって被測定流体の汚染のおそれがなく、外部配管を流体流通路として利用して、その中を流れる流体の流量を良好な精度で測定する方法を提供することを目的とするものである。
【０００８】
さらに、本発明は、以上のような方法の実施に使用され構成が簡素化された流量測定装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
配管中を流れる流体の流量を測定する方法であって、
前記配管として可撓性を持つチューブを使用し、発熱体及び感温体を有する流量検知部を前記チューブの外周面に押し付けて前記チューブを所定の形状に変形させ、該チューブと前記流量検知部との間で予め定められた形態の熱伝達経路を形成し、
しかる後に、前記発熱体と前記感温体とを含んで構成され前記チューブ内の流体の流量に対応する電気的出力を発生する検知回路の出力を所定値に維持するように、発熱制御手段により前記発熱体の発熱を制御し、前記発熱制御手段による制御状態に基づき流量値を得ることを特徴とする流量測定方法、
が提供される。
【００１０】
本発明の一態様においては、前記チューブは熱伝導率が０．０５Ｗ／（ｍ・℃）〜１Ｗ／（ｍ・℃）の材料からなる。本発明の一態様においては、前記チューブは合成樹脂または合成ゴムからなる。本発明の一態様においては、前記流量検知部をそれに接続された熱良導体薄板を介して前記チューブの外周面に押し付ける。本発明の一態様においては、前記熱良導体薄板は金属薄板である。
【００１１】
更に、本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
可撓性を持つチューブからなる配管中を流れる流体の流量を測定する装置であって、
発熱体及び感温体を有する流量検知部と、
前記発熱体と前記感温体とを含んで構成され前記チューブ内の流体の流量に対応する電気的出力を発生する検知回路と、
該検知回路の出力を所定値に維持するように前記発熱体の発熱を制御する発熱制御手段と、
前記発熱制御手段による前記発熱体の制御状態に基づき流量値を得るための演算手段と、
前記流量検知部を前記チューブの外周面に押し付けて該チューブを所定の形状に変形させるための押し付け手段とを備えていることを特徴とする流量測定装置、
が提供される。
【００１２】
本発明の一態様においては、前記チューブは熱伝導率が０．０５Ｗ／（ｍ・℃）〜１Ｗ／（ｍ・℃）の材料からなる。本発明の一態様においては、前記チューブは合成樹脂または合成ゴムからなる。本発明の一態様においては、前記流量検知部に接続された熱良導体薄板が設けられており、前記押し付け手段は前記流量検知部を前記熱良導体薄板を介して前記チューブの外周面に押し付ける。本発明の一態様においては、前記熱良導体薄板は金属薄板である。
【００１３】
本発明の一態様においては、前記押し付け手段は、前記流量検知部を含むセンサユニットを支持するための基部と、該基部に対して可動の可動部とを備えており、該可動部は前記基部に対して、前記流量検知部による前記チューブに対する押し付け力の付与により該チューブを前記所定の形状に変形させる第１状態と前記流量検知部による前記チューブに対する押し付け力の付与を解除した第２状態とをとる。本発明の一態様においては、前記可動部は前記基部に対してヒンジで取り付けられている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、非測定流体が流れる可撓性チューブをそのまま流体流通路として利用するので、被測定流体の汚染のおそれがなく、流体の流量を十分な精度で測定することができる。また、本発明によれば、以上のような方法の実施に使用され構成が簡素化された流量測定装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
図１は本発明による流量測定方法の実施される本発明による流量測定装置の一実施形態を示す概略構成図であり、図２及び図３はその部分拡大図であり、図４はその部分断面図であり、図５はその回路構成図である。
【００１７】
これらの図において、符号１４は流体流通路を構成する外部配管であり、該配管１４は例えば被測定流体としての医療用薬液の流通する合成樹脂製または合成ゴム製の可撓性チューブである。該チューブ１４としては、例えば、熱伝導率が０．３３Ｗ／（ｍ・℃）のポリエチレンからなる内径２．０ｍｍで肉厚０．２ｍｍのものや、熱伝導率が０．１５〜０．２１Ｗ／（ｍ・℃）のポリ塩化ビニルからなる内径１．０ｍｍで肉厚０．８ｍｍのものや、熱伝導率が０．１５〜０．２１Ｗ／（ｍ・℃）のポリ塩化ビニルからなる内径０．７ｍｍで肉厚０．３ｍｍのものが例示される。チューブ１４は、熱伝導率が０．０５Ｗ／（ｍ・℃）〜１Ｗ／（ｍ・℃）の材料からなるものが好ましい。チューブ１４の熱伝導率が小さすぎると流量検知部と被測定流体との間の熱伝達が不十分となる傾向にあり、チューブ１４の熱伝導率が大きすぎると該チューブを介しての被測定流体以外の外部との熱授受の比率が大きくなり所要の被測定流体の流量に対応する検知回路出力が得られなくなる傾向にある。
【００１８】
符号１６はセンサユニットであり、その内部に流量検知部と流体温度検知部とが配置されている。即ち、図４に示されているように、センサユニット１６では、熱良導体薄板としての金属薄板２の一方の面（図では下面）に流量検知部４が固着されており、該流量検知部は上記の様に薄膜発熱体と薄膜感温体とを絶縁層を介して積層し更に保護膜を付してなるセンサーチップの形態をなしている。流量検知部４の薄膜発熱体及び薄膜感温体の端子はそれぞれボンディングワイヤ６により外部リード８と接続されている。尚、図２に示されているように、流体温度検知部４’は、薄膜発熱体を有しないことを除けば実質上流量検知部４と同等の構成を有しており、金属薄板２’の下面に固着されている。その薄膜感温体の端子はボンディングワイヤにより外部リード８’と接続されている。外部リード８，８’の一部、並びに金属薄板２，２’、流量検知部４、流体温度検知部４’及びボンディングワイヤ６は樹脂モールド１０により封止されている。金属薄板２，２’の流量検知部４及び流体温度検知部４’に対応する上面部分は外部に露出する露出部とされており、ここにチューブ１４が押し付けられる（即ち、流量検知部４及び流体温度検知部４’が金属薄板２，２’を介してチューブ１４に押し付けられる）。尚、流量検知部４及び流体温度検知部４’を金属薄板２，２’の上面部分上に配置することも可能である。この場合には、流量検知部４及び流体温度検知部４’に直接チューブ１４が押し付けられる（即ち、流量検知部４及び流体温度検知部４’が直接チューブ１４に押し付けられる）。
【００１９】
このチューブに対する押し付け力の付与のための手段について説明する。センサユニット１６は、基部２０上に固定されており、該基部上にはスペーサ２２を介して可動部２４が取り付けられる。この取付は、基部２０に形成された雌ネジ孔に対して可動部２４及びスペーサ２２に形成された貫通孔を介して雄ネジ２６をねじ込むことで行うことができる。スペーサ２２の高さは、以上のようにして可動部２４が基部２０に対し取り付けられた時に、可動部２４の下面とセンサユニット１６の上記金属薄膜露出部との間でチューブ１４が挟まれ、該チューブに対して金属薄板２，２’を介して流量検知部４及び流体温度検知部４’が押し付けられて、チューブ１４が所定の形状に変形せしめられ金属薄板と所定の接触面積で接触するように（即ち、チューブ１４と流量検知部４及び流体温度検知部４’との間で予め定められた形態の熱伝達経路が形成されるように）、予め設定されている。可動部２４を基部２０から取り外すと、チューブ１４に対する押し付け力の付与が解除され、図示されるようにチューブは本来の断面円形の自由形状となる。即ち、可動部２４を基部２０に取り付けた状態が該可動部の第１状態であり、可動部２４を基部２０から取り外した状態が該可動部の第２状態である。第１状態では、押し付けによる変形で増大した接触面積にてチューブ及び金属薄板を介して流量検知部４及び流体温度検知部４’とチューブ内の流体との間での予め定められた形態での熱交換が可能である。チューブが金属などの熱良導体ではなく比較的低い熱電導率のものであるので、該チューブを介しての測定部分（即ちチューブの変形した部分）以外の外部との熱の授受は実質上なく、このため良好な測定精度での流量測定が可能となる。
【００２０】
図５は、上記流量検知部４及び流体温度検知部４’を用いた流量測定のための具体的回路構成を示している。流量測定のための回路は、例えば特開平１１−１１８５６６号公報に記載されているような傍熱式流量計の回路と同様であり、チューブ１４内を流通する液体の瞬時流量に応じた電気信号を出力する。また、適宜積算して積算流量に応じた電気信号を出力させることもできる。以下、更に説明する。
【００２１】
ブリッジ回路（検知回路）４０に直流電圧Ｖ１が供給される。ブリッジ回路４０は、流量検知部４の薄膜感温抵抗体４ｂと流体温度検知部４’の薄膜感温抵抗体４ａ’と抵抗体４３，４４とを含んでなる。ブリッジ回路４０のａ，ｂ点の電位Ｖａ，Ｖｂが差動増幅・積分回路４６に入力される。
【００２２】
一方、直流電圧Ｖ２は、上記流量検知部４の薄膜発熱抵抗体４ａへ供給される電流を制御するための発熱制御手段としてのトランジスタ５０を介して、薄膜発熱抵抗体４ａへと供給される。即ち、流量検知部４において、薄膜発熱抵抗体４ａの発熱に基づき、チューブ１４内の流体による吸熱の影響を受けて、薄膜感温抵抗体４ｂによる感温が実行される。そして、該感温の結果として、ブリッジ回路４０のａ，ｂ点の電位Ｖａ，Ｖｂの差が得られる。
【００２３】
（Ｖａ−Ｖｂ）の値は、流体の流量に応じて感温抵抗体４ｂの温度が変化することで、変化する。予めブリッジ回路４０の抵抗体４３，４４の抵抗値を適宜設定することで、基準となる所望の流体流量の場合において（Ｖａ−Ｖｂ）の値を零とすることができる。この基準流量では、差動増幅・積分回路４６の出力が一定（基準流量に対応する値）となり、トランジスタ５０の抵抗値も一定となる。その場合には、薄膜発熱抵抗体４ａに印加される電圧も一定となり、この時のＰ点の電圧が上記基準流量を示すものとなる。
【００２４】
流体流量が増減すると、差動増幅・積分回路４６の出力は（Ｖａ−Ｖｂ）の値に応じて極性（感温抵抗体４ｂの抵抗−温度特性の正負により異なる）及び大きさが変化し、これに応じて差動増幅・積分回路４６の出力が変化する。
【００２５】
液体流量が増加した場合には、感温抵抗体４ｂの温度が低下するので、薄膜発熱抵抗体４ａの発熱量を増加させる（即ち電力を増加させる）よう、差動増幅・積分回路４６からはトランジスタ５０のベースに対して、トランジスタ５０の抵抗値を減少させるような制御入力がなされる。
【００２６】
他方、流体流量が減少した場合には、感温抵抗体４ｂの温度が上昇するので、薄膜発熱抵抗体４ａの発熱量を減少させる（即ち電力を減少させる）よう、差動増幅・積分回路４６からはトランジスタ５０のベースに対して、トランジスタ５０の抵抗値を増加させるような制御入力がなされる。
【００２７】
以上のようにして、流体流量の変化に関わらず、常に感温抵抗体４ｂを含む検知回路４０からの流体流量に対応する出力が目標値となるように、薄膜発熱抵抗体４ａの発熱がフィードバック制御される。そして、その際に薄膜発熱抵抗体４ａに印加される電圧（Ｐ点の電圧）は流体流量に対応しているので、それを流量出力として取り出す。この流量出力は、Ａ／Ｄコンバータ５２によりＡ／Ｄ変換して、デジタル信号とされる。この流量値に対応するデジタル信号は演算手段としてのＣＰＵ５４に入力され、該ＣＰＵ５４は予め記憶された検量線に基づき流量値を算出し、その信号を出力する。
【００２８】
尚、流体温度検知部４’は、流体の温度に関する補償を行なった流量値を得るために用いられている。
【００２９】
図６及び図７は本発明による流量測定方法の実施される本発明による流量測定装置の更に別の実施形態を示す概略部分構成図であり、図６は押し付け手段の可動部が第１状態にある時を示し、図７は押し付け手段の可動部が第２状態にある時を示す。これらの図において、上記図１〜図５におけると同様の機能を有する部材は同一の符号が付されている。
【００３０】
本実施形態は、可動部２４が基部２０に対してヒンジ２３で取り付けられていることが、上記図１〜図５に関し説明した実施形態と異なる。押し付け手段の可動部２４が第１状態にある時には、図６で示されるように、可動部２４の回動先端部とこれに対応する基部２０の部分とが連結部材２８によりの所要の距離に維持されている。
【００３１】
上記図１〜図５に関し説明した実施形態の装置を作製し、合成樹脂製チューブ（ポリエチレン製チューブ）中を流れる水の流量変化に対する点Ｐの電圧（センサ出力）の変化を測定した。この測定を同一装置で５回繰り返して実施した結果を、図８に示す。５回の実施におけるバラツキは少なく、十分な測定精度が得られた。
【００３２】
図９に、上記図１〜図５に関し説明した実施形態の装置を作製し、合成樹脂製チューブ（ポリエチレン製チューブ）中を流れる水の微小流量域での流量変化に対する点Ｐの電圧（センサ出力）の変化を測定した結果を示す。２ｍＬ（ミリリットル）／ｈ程度の微小流量域での測定も可能であることが分かった。また、図１０に、急激に流量０から流量１０ｍＬ／ｈ程度の流体流通状態とした時のセンサ出力の立ち上がり応答性の測定結果を示す。応答性は良好であることが分かった。
【００３３】
図１１に、上記図１〜図５に関し説明した実施形態の装置を作製し、合成樹脂製チューブ（ポリエチレン製チューブ）［本発明実施例］及び金属配管（ステンレススチール配管）［比較例］のそれぞれにつき２種類の一定流量（０．２Ｌ／ｈ，２Ｌ／ｈ）で水を流通させた場合の、経時的な点Ｐの電圧変化を測定した結果を示す。金属配管の場合には経時的な電圧出力変化が大きかったが、合成樹脂製チューブの場合には経時的な電圧出力変化は少なく、十分な測定精度が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明による流量測定装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】図１の装置の部分拡大図である。
【図３】図１の装置の部分拡大図である。
【図４】図１の装置の部分断面図である。
【図５】図１の装置の回路構成図である。
【図６】本発明による流量測定装置の更に別の実施形態を示す概略部分構成図である。
【図７】図６の装置の概略部分構成図である。
【図８】本発明による流量測定装置における流量に対するセンサ出力の変化の例を示す図である。
【図９】本発明による流量測定装置における微小流量に対するセンサ出力の変化の例を示す図である。
【図１０】本発明による流量測定装置におけるセンサ出力の立ち上がり応答性の例を示す図である。
【図１１】本発明による流量測定装置におけるセンサ出力の時間変動の例を比較例と共に示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
２，２’    金属薄板
４    流量検知部
４ａ    薄膜発熱抵抗体
４ｂ    薄膜感温抵抗体
４’    流体温度検知部
４ａ’    薄膜感温抵抗体
６    ボンディングワイヤ
８，８’    外部リード
１０    樹脂モールド
１４    チューブ
１６    センサユニット
２０    基部
２２    スペーサ
２３    ヒンジ
２４    可動部
２６    雄ネジ
２８    連結部材
４０    ブリッジ回路（検知回路）
４３，４４    抵抗体
４６    差動増幅・積分回路
５０    発熱制御手段（トランジスタ）
５２    Ａ／Ｄコンバータ
５４    演算手段（ＣＰＵ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2005061995.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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